上转换材料构建传感器的研究进展

【摘 要】上转换材料可将吸收的长波转变为短波发射出去，在红外探测、生物标识、生物成像、药物载体、警示标识、防伪技术、墙壁涂层等领域，展现了潜在的应用前景。在生物研究领域，该类材料具备生物兼容性好、组织穿透性强、背景信号低、发射峰窄、无光漂白的特点，已得到快速发展与广泛研究。本文综述了上转换材料在传感器研究中的进展。

【关键词】上转换；发光材料；传感器

【Abstract】The absorbed wave should be transferred to higher energy wave via upconversion materials. And the upconversion materials have expressed the potential application in the fields of infrared explore， biomarker， bioimage， drug carrier， emergency labels， anti-counterfeiting technique， and wall layer. In biology， the upconversion materials have the advantage of excellent tissue penetration， good biocompatibility， low background signal， sharp emission peak， weak light bleaching. The upconversion materials have been rapidly developed and widely studied. This paper reviews the progress of upconverion material in sensor studying.

【Key words】Upconversion； Luminescence materials； Sensor

0 引言

通过多光子机制把长波辐射转换成短波辐射称为光学上转换，既反Stokes发光。近年来，上转换材料引起众多国内外科研院所及企业的关注与广泛研究。在传感器研究领域，与酶、放射性同位素、化学发光、荧光染料、量子点等其他标记材料相比，上转换传感器具有灵敏度高、选择性和稳定性好、操作简单、便于观察、无背景荧光、不损伤样本等诸多优点，克服了酶不稳定、放射性污染、灵敏度差、化学发光重现性差等不足，在活体和疾病因子研究、生物分子检测等方面取得了突出的研究成果，具有广阔的应用前景。

1 上转换材料的制备

研究工作者致力于通过简单便捷的方法，制备形貌、晶型、尺寸、发光性能可控的上转换材料，特别是小粒径、高发光效率的纳米粒子，对包括传感器在内的应用，起到十分重要的作用。目前的制备方法主要有：热解法、溶剂热、离子液体法、共沉淀法、烧结法、溶胶凝胶法。其中的热解法和溶剂热法最为常用。

1.1 热解法

热解法一般采用金属有机化合物作为前体，表面活性剂辅助高温分解后制得。在油酸和十八烯体系中，通过逐渐加熱分解对应的三氟金属盐，研究人员首次合成了高质量、单分散的LaF3三角纳米片[1]。自此以后，大量的高纯度、各种形貌、高发光效率的氟化物纳米材料得以合成。在优化的实验条件下，如溶剂、前体浓度、反应温度与时间，往往可以得到较好的产物；但由于其快速成核的生长过程，难免会形成缺陷，导致量子产率偏低，其毒性副产物也需要小心处理。

1.2 溶剂热法

溶剂热在密闭的溶剂中，以较高的蒸气压和温度，超过临界点的条件下进行化学反应，因此可以提高溶解度和反应速度。掺杂高浓度的Gd，可使NaYF4粒径变小，由于改变了表面活性剂，晶型也从立方晶转变成六方相[2]。水热法以水溶液或水蒸气作为反应体系，加热产生一定的温度和压力，使得物质进行水热反应，合成分散的纳米颗粒。反应通常在密闭的反应容器（如反应釜）中进行[3]。该方法的优点是反应条件温和、实验装置简单、操作简便、环境污染少，可同时进行多个反应；缺点是只适用于对水不敏感的化合物的制备，要特制的反应容器，且不容易观察粒子生成过程。

最近，长春应化所张洪杰和冯婧团队报道了室温下只用一分钟合成NaBiF4上转换纳米颗粒新型六方相的方法。和传统方法相比，该方法更简单方便。而且，用铋代替稀土金属将大幅度降低成本，制得产物单分散性好，尺寸480nm。合成的Yb3+和Ln3+共掺NaBiF4上转换纳米颗粒，具有更高的的荧光强度[4]。复旦大学张凡团队报道了一种壳层过滤效应调节，不依赖功率的正交激发-发射上转换荧光。即通过精确调控吸收壳层厚度，实现了两组独立的正交激发-发射上转换发光：980nm激发下，发射出Tm3+的特征上转换紫外光和蓝光；796nm激发下，发射出Er3+的特征上转换绿色荧光。两组上转换荧光完全相互独立，且不受激发功率的影响。通过多维度防伪及多模式癌症治疗，验证了材料的实用性和独特性[5]。

2 上转换材料在传感器中的应用

光学分析法在检测传感领域，具备独特的优势。上转换材料不受组织的干扰，有望实现灵敏的活体检测。为了实现特异性传感，材料表面功能化酶、抗体、多肽、细胞等，是必要的步骤，而且要求能够产生前后的光学信号变化[6]。

2.1 离子传感

诸如CN-、Hg2+等离子对生命体具有很高的毒性，对其检测表现了一定的研究价值。使用上转换材料的离子传感器具有非常高的灵敏度。研究人员制备了NaYF4：20mol%Yb， 1.6 mol%Er， 0.4 mol%Tm的上转换纳米粒子，表面包裹钌配合物后，实现了Hg2+的灵敏传感；结果发现Hg2+的检出限达1.95ppb，比美国环保部的规定值还低[7]。罗丹明B交联到硅包上转换纳米粒子表面，形成金属探针，与Cu2+作用后，形成共振能量转移，580nm处出现新发射峰，同时545nm处的发射峰降低。该检测体系不受Hg2+的干扰，可以应用到细胞中Cu2+的检测[8]。

2.2 溫度传感

温度在科学研究和应用开发领域，是一个非常重要的物理参数。对其进行精确、无干扰的测定，十分必要。Wolfbeis等人通过改变上转换粒子的粒径和掺杂比例，实现了温度传感；他们发现六方（NaYF4：YB20%Er2%）/NaYF4粒子的发光效率很高，而且适合用于温度传感，该体系可以区分20℃至45℃间的0.5℃温度变化[9]。合成的Ba4Gd0.65-xEr0.02YbXNb10O30（0≤x≤0.1）材料，基于其531nm和554nm处荧光强度比率变化，构建了303K到573K温度范围间的检测体系，灵敏度达0.013K-1[10]。基于Er-dopedBi3Ti1.5W0.5O9（BTW-x）粒子在532.6nm和549.2nm处的荧光比率，构建了83K到423K间的温度检测体系，灵敏度达0.00314K-1。这些传感器都具有潜在的应用价值[11]。

2.3 气体传感

检测水溶液、生物体液中的氧气、二氧化碳、氨气、一氧化碳浓度，具有重要的研究意义。基于上转换材料的突出优点，其在气体传感器中的应用更加引人注目。Wolfbeis团队采用NaYF4：Yb3+/Tm3+上转换纳米粒子作为发射源，铱配合物作为氧气示踪剂，掺杂制备了薄膜，上转换粒子的发射波与铱配合物形成共振转移，该过程对氧气非常敏感，从而构建了氧气分子的检测体系[12]。

2.4 生物分子传感

生物分析可以为疾病诊断治疗提供重要的参考指标。上转换材料，因其检测背景低，备受关注[13]。Tanke团队采用400纳米的Y2O2S：Yb/Er粒子构建寡核苷酸检测体系，检出限达1ng/μL；灵敏度比传统的cyanine 5标记检测提升4倍[14]。邢本刚、Malini Olivo、刘刚共同研究创建了一种新颖光声/荧光多模态导向的诊疗策略，以响应复杂肿瘤微环境；功能化上转换纳米粒子特异富集在肿瘤部位，达到精准靶向诊疗。在蛋白酶的作用下，纳米结构表面的功能多肽被切断，暴露出的氨基酸残基和相邻粒子表面特异的识别分子发生共价交联反应，促进纳米结构在肿瘤部位的富集。这种策略不仅能够选择性富集，同时还能提升交联后的发光效率，从而进一步提高活性氧产率。该诊疗一体化探针在肿瘤模型的活体原位、静脉注射，均获得明显治疗效果，并可借助光声成像实现实时疗效监测，该策略具有很大的潜在应用价值[15]。Zhang等利用有机染料作为能量受体，组建基于荧光共振能量转移的传感器对生物分子进行检测，对含有26个碱基的寡聚核苷酸的检测限为1.3nM[16]。

3 结论与展望

上转换发光材料的研究虽然处于起步阶段，面临材料有效制备、表面功能修饰、高通量应用等挑战；但至今已经取得了瞩目的研究成果，论文发表量快速增长。该类材料主要用于生物学、医学和生命科学领域的细胞成像、组织及活体成像、生物检测、光动力治疗等方面，展现了独特的魅力和良好应用前景。未来，提高上转换效率、发展新型上转换分子、开发近红外发射、降低毒性、提高单分散性、开发多色上转换、拓宽激发范围、构建核壳结构，以及构建新型传感器、开放仪器应用、开放光学器件、开放医药应用、生物功能化及应用将成为研究重点。我们深信，上转换材料构建分析传感体系，将会得到极大的发展。

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[責任编辑：朱丽娜]